第八章真空浓缩设备

第八章浓缩设备•浓缩：从溶液中除去部分溶剂的单元操作。由于食品中的溶剂主要是水，如果蔬汁，牛奶等。所以食品工业中的浓缩一般指蒸发。•真空浓缩：是指在负压条件下，以较低温度浓缩。有以下特点：•(1)料液沸点低，浓缩速度大。•(2)可利用低压蒸汽作为热源(多效时)。•(3)不损害食品的营养成分。•(4)设备热耗减少。•(5)增加真空系统，投资大，功力消耗大。•(6)沸点降低，蒸发潜热增大。第一节浓缩概述•一、浓缩的目的•1.除去水分，减少包装、运输费用•2.提高浓度，增加贮藏性能•3.干燥的预处理•4.结晶的预处理第一节浓缩概述•二、分类•1.按操作方式分：①常压②真空③闪蒸•2.按二次蒸汽的利用分：–①单效浓缩装置–②多效浓缩装置–③带有热泵的浓缩装置•3.按料液流程分：–①循环式：自然与强制循环。–②单程式：•4.按加热器结构分：–①盘管式浓缩器–②中央循环管式浓缩器–③升膜式浓缩器-④降膜式浓缩器-⑤片式浓缩器-⑥刮板式浓缩器-⑦外加热式浓缩器。夹套式蒸发器•中小型浓缩设备。•由圆筒形夹套壳体、搅拌器、除沫器等组成。•液料置入锅内，通过蒸汽加热，并加搅拌，使水分在低压条件下蒸发。二次蒸汽从顶部排除。•主要技术参数•蒸发量300L／h，•蒸汽耗用量340kg／h，•蒸汽压力＜196kPa，•真空度82．9～88.0kPa。•适于果酱、蜜饯、糖浆、乳品、豆浆晶、食用胶始粘度料液的浓缩。一、标准式蒸发器•又称中央循环管式浓缩锅。•下部为加热室，上部为分离室。加热室内装有加热管束和中央循环管。中央循环管的截面积较大，一般为加热管束总面积的40％以上。•工作时料液在管内流动，加热蒸汽在管束之间流动，由于中央循环管与加热管中的料液受热程度不同，产生密度差，使液料经加热管而沸腾上升，然后在分离室内进行汽液分离。•二次蒸汽由顶部排出。料液经中央循环管下降、回流，形成自然循环。浓缩后的制品由底部卸出。•目前这类蒸发器糖厂应用广泛。图8－2中央循环管蒸发器A-加热蒸汽B-料液C-二次蒸汽D-冷凝水E-完成液1-中央循环管2-蒸发室3-除沫器4-外壳5-换热管加热室断面图8－3加热室断面图A-加热蒸汽1-加热蒸汽通道2-料液上升通道3-料液下降通道二、盘管式蒸发器•亦称盘管式浓缩锅，由上下锅体、加热盘管、汽液分离器等组成。•在锅体内装有四个加热盘管，分层排列，管内通入蒸汽，对管间的料液进行加热，使之沸腾蒸发。•料液分批入锅内进行浓缩。二次蒸汽由上部排入汽液分离室，成品由锅底卸出。•二次蒸汽进入分离室后，因离心力作用，使夹带的液滴与不凝气体分离，气体排出，被分离后的料液经回流管回入蒸发锅内再进行蒸发。图8－4盘管式蒸发器A-加热蒸汽B-冷凝水C-完成液D-二次蒸汽冷凝水E-不凝气体F-冷却水进入端G-冷却水排出端1-蒸发室2-气液分离器3-回液管4-观测口5-列管式冷凝器6-加热蒸汽分配器7-加热盘管8-水泵9-真空泵10-料液泵三、外加热式蒸发器图8－5外加热式自然循环蒸发器A-加热蒸汽B-冷凝水C-料液D-完成液E-二次蒸汽1-蒸发室2-回流管3-滤网4-分离器特征：加热室、分离室分开。有强制循环式、自然循环式。由加热器、分离器、循环管组成。加热器有：列管式、板式。外加热板式强制循环蒸发器图8－6外加热板式强制循环蒸发器A-加热蒸汽B-冷凝水C-料液D-完成液E-二次蒸汽冷凝水F-不凝气体G-冷却水进口H-冷却水出口1-板式换热器2-料泵3-贮料罐4-成品泵5-分离器6-冷凝水泵7-水环式真空泵8-冷凝器板式蒸发器•优点是料液经过传热面的时间很短，仅2s，液流分布均匀，不易结垢。传热系数高，可达10.45～16.72MJ/M2·h·℃。料液强制循环，可处理高粘度的料液。结构紧凑，节省加热蒸汽耗量，拆卸清洗方便，可用于牛奶、果汁，豆。蛋、糖汁，低盐酱油等多种食品的浓缩。四、升膜式蒸发器•由加热室、分离室和循环管等组成。•料液自加热室底部进入加热管内。加热蒸汽在管束间流过，料液在加热管中部开始沸腾迅速汽化。在加热管上部产生的二次蒸汽并快速上升，流速可达100—l60m/s。料液在二次蒸汽和抽真空的作用下，沿管内壁成膜状上升，并不断被加热蒸发。•有循环型、非循环型•这种蒸发器的优点是占地面积小，传热效率较高，料液受热时间短，在加热管内停留10—20s。适于浓缩热敏、易起泡和粘度低的液料。缺点是一次浓缩比不大，进料量需要很好控制、进料过多不易成膜，过少则易断膜干壁．影响产品质量。图8－7升膜式蒸发器A-加热蒸汽B-完成液C-料液D-冷凝水E-二次蒸汽1-换热管2-气液管3-分离器五、降膜式蒸发器•由加热管束、分离器等组成。•料液自上部分配到加热管束内，成膜状流下，加热蒸汽在管束外流过，完成换热后料液进入汽液分离器分离。•这种蒸发器的特点：•①由重力作用降膜，能蒸发粘度较大的料液，受热时间短，适于热敏性强的物料；•②料液的沸点均匀，有效温差较大，传热效果好，节约蒸汽。•③由于蒸发管较长，液料沸腾时所生成的泡沫易在管壁上受热破裂，因此适于蒸发易生泡沫的物料；•④清洗方便；•⑤适用于浓度较大，不易结晶、结垢的物料。•目前这类设备在乳品、果汁等食品工业中应用最广。六、刮板式蒸发器•有立式、卧式两类。•由加层圆筒、旋转刮板器、料液分配盘与驱动装置等组成。•加热时间为2～3s。加热区域可分成几段，采用不同压力的蒸汽。•一般直径为300～500mm，刮板与加热筒内壁的最小间隙为（1.5士0.3）mm。刮板的转速为300——800rpm。•这种蒸发器的特点是传热系数高，适于高粘度（最高达100Pa.s）的料液或含有悬浮颗粒的料液。第三节真空浓缩的附属装置•真空浓缩设备的附属装置主要包括：捕集器、冷凝器、蒸汽喷射器和真空装置等。•一、捕集器•功能：防止蒸发过程形成的细微液滴被二次蒸汽带出，减少原料损失，同时防止污染。•（一）惯性捕集器它是在二次蒸汽流的通道上设置若干挡板，为了提高分离效果，一般捕集器的直径比二次热汽入口直径大2.5～3倍。•（二）离心型捕集器形状与旋风分离器相似，液滴在离心力的作用下被甩到壳壁，并沿壁流回蒸发分离室内。二次蒸汽由顶部排出。•在蒸汽流速较大时，分离效果较好，但阻力亦较大。二、冷凝器•功能：将二次蒸汽冷凝，并将其中的不凝气体分离，以减轻真空系统容积负荷。•（一）间接式冷凝器亦称表面式冷凝器，这种冷凝器是利用金属传热冷凝，二次蒸汽不接触冷却水，有列管式、板式等。•特点是冷凝液可以回收利用，但传热效率低，使用较少。•（二）直接式冷凝器亦称混合式冷凝器。分为逆流式和喷射式两种。•这种冷凝器利用二次蒸汽与冷却水直接接触冷凝。•1．逆流式冷凝器塔式冷凝器（a）喷淋塔式（b）填料塔式（c）板塔式图8－13几种塔式冷凝器示意图A-二次蒸汽B-冷凝水C-回水D-不凝气体1-喷头2-填料层3-孔板二、冷凝器•2、喷射式冷凝器：利用喷射泵的原理，用高速水流抽出二次蒸汽，兼有冷凝和抽真空双重作用。•1、组成：由喷嘴，吸气室，混合室，扩散室等组成•2、优缺点：–(1)兼有冷凝器及抽真空作用，故不必再配真空装置。–(2)结构简单，造价低廉，冷凝器自身没有机械运转部分不需经常检修。–(3)适用于抽吸腐蚀性气体。–(4)安装高度低，与浓缩锅的二次蒸汽排出管水平方向可直接相连。–(5)整个装置的功率消耗较小。–(6)不能获得较高的真空度，并随水温而变。2．喷射式冷凝器•喷射式冷凝器的安装要求：•①从水泵至喷射器冷却水入口的管路，应尽量减少管件和弯头，使阻力损失减小；•②排水管要求垂直，如必须曲折时，折角不大于45°,转折不多于两次；•③各接口要求严密，避免泄漏；•④连接扩散管出口的尾管长度，一般在2m以上，且不伸入循环水池之水中。三、真空装置•(一)作用：保证系统的真空度，降低浓缩锅内压力，使料液在低温下沸腾。•不凝气体来源：–①溶解于冷却水中的空气。–②料液中分解的气体。–③设备泄漏。•(二)常用真空装置•蒸汽喷射器•往复式真空泵•水环式真空泵四、真空泵1.往复式真空泵2.水环式真空泵（水环泵）•这类泵结构简单。易于制造，操作可靠，转速较高，可与电机直联，内部不需润滑，可使排出气体免受污染，排气量较均匀，工作平稳可靠。•但因高速运转，水的冲击使叶轮与轮壳磨损，造成真空度下降，需经常更换零件。•效率较低，为30％～50％。真空度较低，为2.0～4.0kPa。3.蒸汽喷射器•蒸汽喷射泵的优点是抽气量大，真空度高，安装运行和维修简便，价廉，占地面积小。其缺点是要求蒸汽压力较高，蒸汽量稳定，需要较长时间运转，才能达所需真空度。排出的气体还有微小压强。第四节多效真空浓缩设备图8－19三效降膜浓缩设备1-预热器2-热压泵3-一级蒸发器4-二级分离器5-一级分离器6-二级蒸发器7-三级蒸发器8-三级分离器9-主冷凝器10-辅冷凝器一、多效浓缩流程（a）顺流（b）逆流（c）平流（d）混流第四节多效真空浓缩设备一、顺流式双效降膜真空浓缩设备二、混流式三效降膜真空浓缩设备（一）组成与流程第五节芳香物质的回收设备•一、工作原理•提取原果汁的芳香物质是利用其在蒸发中易挥发的性质，在蒸发冷凝器中完成的。•该装置主要由两组板式换热器组成。工作时原果汁先送入下板组的通道中，被相隔通道内的蒸汽加热蒸发，提香后的浓缩液与含芳香物的水蒸汽由下板组上部流出，利用挡板改变方向，使其流向下方，汽液进行分离，然后浓缩液由壳体底部排出；含芳香物的水蒸汽上升导入上板组的通道中，被相隔通道内的冷却水降温冷凝，形成芳香物水溶液，从上板组的底部排出，而冷却水由上板组的上部排出。芳香物水溶液，经两次蒸发冷凝，才能制成较纯的芳香液。•二、组成和流程•图8—22所示为PAR－22／PAR－O1型芳香物质回收设备流程图。由三级板式蒸发冷凝器、预热器、两个螺旋管冷凝器、计量器和各种泵、阀构成。第六节冷冻浓缩设备•定义•冷冻浓缩是将稀溶液中的水分冻结成冰晶，并去除这部分冰晶从而使溶液中的溶质浓度得到提高的浓缩方法。１．直接冷却式真空冷冻浓缩器直接冷却式结晶是指结晶热直接由溶液中一部分溶剂在真空条件下发生相变汽化，将另一部分物质的热量带走，使其温度降低到冰点以下结晶的浓缩方法。图8－24真空冷冻浓缩器1-真空冷却罐2-循环泵3-出料泵4-循环管5-冷凝器6-三级蒸汽喷射泵7-二级蒸汽喷射泵8-一级蒸汽喷射泵图8－25冰晶分离塔及料液浓度分布1-融冰器2-洗涤水3-冰晶层4-活塞5-活塞杆6-塔体•2.内冷式冷冻浓缩设备图8－26单级冷冻浓缩设备示意图•3.外冷式冷冻浓缩设备图8－27外冷式冷冻浓缩试验装置图8－28外冷式冷冻浓缩试验装置（a）带有搅拌器的渐进冷冻浓缩试验装置（b）降膜冷冻浓缩试验装置第七节选型•一、选型要求和应考虑的因素•（一）料液的性质包括成分组成、粘滞性、热敏性、发泡性、腐蚀性，是否含有固体、悬浮物、是否易结晶、结垢等。•（二）工艺要求包括处理量、蒸发量、料液和浓缩液的进出口的浓度和温度、连续作业和间歇作业等。•（三）产品质量要求符合卫生标准，色、香、味和营养成分等。•（四）当地资源条件包括热源、气象、水质、水量和原料供给情况等。•（五）经济性和操作要求包括厂房占地面积和高度、设备投资限额和传热效果、热能利用、操作和维修是否方便等。二、选型原则•（一）物料的粘度料液的原有粘度及蒸发过程中粘度不断增大，使物料流速降低，传热系数减少，生产能力下降，对这种物料，宜选强制循环型、刮板式或降膜式蒸发器。•（二）热敏性对热敏性强的物料，浓缩时要求受热时间短、温度低，否则易引起分解或变质；一般宜选液料在器内停留时间短，真空度较高的薄膜蒸发器，如片式、离心式的蒸发设备。•若允许料液在较低温下，较长时间受热，或液料浓度较低，浓缩比不高时，可用盘管式真空蒸发器。•（三）结垢性结垢是液料在浓缩过程中因粘度增大、悬浮的微粒积沉、局部焦化过热等因素所造成。•结垢后，增加热阻，降低传热系数，甚至使作业无法运行。故宜选刮板式或强制循环型蒸发器。•（四）结晶性若浓缩过程中有晶体析出，易沉积于传热面上，影响传热效果，宜选带搅拌的或强制